양성자는 본질적으로 매력적일 수 있습니다.
아원자 입자는 쿼크라고 불리는 세 개의 더 가벼운 입자의 매시업입니다. 두 개는 업 쿼크로 알려져 있고 한 개는 다운 쿼크로 알려져 있습니다. 그러나 물리학자들은 수십 년 동안 양성자가 “내재적” 매력 쿼크라고 하는 더 큰 쿼크를 수용할 수도 있다고 추측해 왔습니다. 새로운 분석이 그 아이디어를 뒷받침한다고 물리학자들이 8월 18일자 네이처에 보고했습니다.
참 쿼크는 위 또는 아래 쿼크보다 훨씬 무겁습니다. Vrije Universiteit Amsterdam의 이론물리학자인 Juan Rojo는 너무 무거워서 “양성자 자체보다 무거운 양성자의 구성 요소를 가질 수 있다”고 놀랍게 말합니다.
Rojo와 동료들은 양성자의 가상적인 매력을 밝히기 위해 다양한 실험 결과와 이론적 계산을 결합했습니다. Rojo는 이 특징을 측정하는 것이 우주에서 가장 중요한 입자 중 하나를 완전히 이해하는 데 중요하다고 말합니다.
물리학자들은 양성자를 더 깊이 조사할수록 더 복잡해 보인다는 것을 알고 있습니다. 제네바 근처에 있는 대형 강입자 충돌기(LHC)와 같은 입자 가속기에서 충돌할 때와 같이 매우 높은 에너지에서 관찰할 때 양성자는 일시적인 쿼크와 그에 상응하는 반물질인 반쿼크의 가지각색의 승무원을 포함합니다. 이러한 “외부” 쿼크는 양성자 내부에서 쿼크를 함께 “접착”하는 데 도움이 되는 입자인 글루온이 쿼크-반쿼크 쌍으로 분리될 때 생성됩니다.
외부 쿼크는 양성자의 정체성에 근본적인 것이 아닙니다. 그것들은 단순히 글루온이 높은 에너지에서 행동하는 방식의 결과입니다. 그러나 매력 쿼크는 낮은 에너지에서도 양성자 내부에 더 오래 지속되고 뿌리 깊은 형태로 존재할 수 있습니다.
양자 물리학에서 입자는 측정될 때까지 명확한 상태를 취하지 않습니다. 대신 확률로 설명됩니다. 양성자가 본질적인 매력을 가지고 있다면 양성자 내에서 두 개의 업 쿼크와 다운 쿼크뿐만 아니라 매력 쿼크와 반쿼크도 찾을 가능성이 적습니다. 양성자는 개별 입자의 잘 정의된 집합이 아니기 때문에 양성자의 질량은 부품의 단순한 합이 아닙니다. 작은 확률은 매력 쿼크와 반쿼크의 전체 질량이 양성자의 중량에 추가되지 않음을 의미하며, 이는 양성자가 자신보다 무거운 입자를 포함할 수 있는 방법을 설명합니다.
이론적 계산과 결합된 LHC 및 기타 입자 가속기의 실험에서 얻은 수천 개의 측정값을 사용하여 팀은 3 시그마라는 통계적 수준에서 양성자 고유의 매력에 대한 증거를 발견했습니다. 고유한 참 쿼크는 양성자 운동량의 약 0.6%를 운반한다고 연구원들은 보고합니다.
그러나 결정적인 결과를 얻으려면 일반적으로 5 시그마가 필요합니다. “내재적 매력에 대한 ‘증거’에서 ‘발견’에 이르기까지 데이터와 분석은 아직 충분하지 않습니다.” 캘리포니아 로렌스 리버모어 국립 연구소(Lawrence Livermore National Laboratory)의 이론 물리학자인 Ramona Vogt는 말합니다. .
게다가 “내재적 매력”이 무엇을 의미하는지 정의하는 것이 간단하지 않아 새로운 발견을 다른 그룹의 이전 결과와 비교하는 것이 혼란스럽습니다. 버지니아 주 뉴포트 뉴스에 있는 제퍼슨 연구소의 이론물리학자 월리 멜니추크(Wally Melnichuk)는 “이전 연구에서는 본질적인 매력에 대해 다른 한계를 발견했다”고 말했다.
특히 새로운 분석은 2월 25일자 Physical Review Letters에서 양성자의 고유한 매력과 잠재적으로 일치하는 측정값을 보고한 LHCb 공동 작업의 결과를 통합합니다. 분석에 그 데이터를 포함시키는 것은 “정말 새로운 것”이라고 이론 물리학자 C.-P는 말합니다. East Lansing에 있는 Michigan State University의 Yuan. 그러나 Yuan은 데이터를 해석하는 데 사용되는 계산 유형에 대해 의구심을 가지고 있습니다. “오늘날 우리가 최첨단 분석이라고 부르는 것은 수행되지 않았습니다.”
과학자들은 양성자를 함께 부수고 무엇이 나오는지 관찰하는 LHC 및 기타 시설의 결과를 더 잘 이해하기 위해 양성자 고유의 매력 콘텐츠를 파악해야 합니다. 연구원은 충돌하는 물체의 내부와 외부를 측정할 수 있어야 합니다.
계획된 전자-이온 충돌기와 같은 미래 가속기의 데이터가 도움이 될 수 있다고 일리노이 주 바타비아에 있는 Fermilab의 이론 물리학자 Tim Hobbs는 말합니다. 현재로서는 양성자가 미스터리로 남아 있습니다. “문제는 여전히 우리에게 있습니다. 여전히 매우 도전적입니다.”